樊昌信通信原理第4章信道(7版)

1、课,件,第,4,章,信,道,通信原理（第,7,版）,樊昌信,曹丽娜,编著,本章内容,:,信道,分类,信道,模型,第,4,章,信道,恒参,/,随参,信道,特性,对信号传输的,影响,信道,噪声,信道,容量,定义,分类,模型,特性,影响,措施,信道噪声,信道容量,概,述,?,信道的定义与分类,无线信道举例：,地波传播、短波电离层反射、,超短波或微波视距中继、卫星,中继、散射及移动无线电信道,狭义信道,：,?,传输媒质,有线信道,明线、电缆、光纤,?,无线信道,自由空间或大气层,?,广义信道,：,调制信道,研究调制,/,解调问题,?,编码信道,研究编码,/,译码问题,?,编,码,器,调,制,器,发,转

2、,换,器,媒,质,收,转,换,器,解,调,器,译,码,器,4.1,无线信道,?,地球大气层的结构,：,电离层,平流层,对流层,地,面,60 km,10 km,0 km,?,?,?,对流层：约,0 10,km,平流层：约,1060,km,电离层：约,60400,km,无线信道,?,电磁波的传播方式,：,?,传播路径,地波,ground-,wave,地波传播方式,频率：, 2 MHz,特性：有绕射能力,距离：数百或数千米,用于：,AM,广播,?,传播路径,天波,sky-,wave,频率：,230 MHz,特性：被电离层反射,距离：, 4000,km,（一跳）,用于：远程、短波通信,天波传播方式,6

3、,无线信道,?,视线传播,line-of-sight,d,d,D,传播途径,频率：, 30 MHz,特性：直线传播、穿透电离层,用途：卫星和外太空通信,h,发射,天线,接收,天线,r,r,超短波及微波通信,距离：与天线高度有关,2,2,视线传播方式,D,D,h,?,?,(,m,),8,r,50,D,为收发天线间距离,(km),例如,设收发天线的架设,高度均为,40 m,，则最,远通信距离为：,D = 44.7 km,7,Q,&,A,增大视线传播距离的其他途径,？,?,?,?,微波中继（微波接力）,卫星中继（静止卫星、移动卫星）,平流层通信,无线信道,?,微波中继,两点间,传输距离,30km 5

4、0km,远距离,通信时，,需建立多个中继站,优点,：,容量大、投资少、维护方便、传输质量稳定。,应用,：,远距离传输话音和电视信号。,无线信道,?,卫星中继,优点：,通信容量大，传输质量稳定,传输距离远，覆盖区域广。,缺点：,传输时延大，信号衰减大，,造价高。,10,无线信道,?,散射通信,电离层散射,频率,：,30 60 MHz,距离,：,1000 km,以上,地球,有效散射区域,对流层散射,对流层散射通信,频率：,100 4000 MHz,距离：, 600 km,无线信道,?,流星余迹散射,流星余迹,特性,:,高度,80 120 km,，长度,15 40 km,存留时间：小于,1,秒至几分

5、钟,频率,:,30 100 MHz,距离,:,1000 km,以上,用途,:,低速存储、高速突发、断续传输,12,4.2,有线信道,?,?,?,?,明线,对称电缆,同轴电缆,光纤,?,明线,1880,年纽约街貌,有线信道,?,对称电缆,导体,绝缘层,双绞线,Twisted Rair,特点,每对呈扭绞状，以减,小各线对的相互干扰。,传输衰减大,/,距离短，,邻道间有串话干扰。,由,多,对,双绞线,组成,非屏蔽双绞线,(UTP),（便宜、易弯曲、易安装）,缺点,屏蔽双绞线,(STP),（可减少噪声干扰）,应用,电话线路、局域网及综合布线工程中的传输介质,有线信道,?,同轴电缆,组成,由同轴的两个导

6、体组成,内芯,：金属导线,外导体,：金属编织网,（相比双绞线）,优点,抗电磁干扰能力强,带宽更宽、速率更高,缺点,成本较高；,解决：用光缆代替（干线）,16,有线信道,基带,同轴电缆,：,?,?,?,50,，,多用于数字基带传输,速率可达,10Mb/s,传输距离,几千米,宽带,（射频）,同轴电缆：,?,?,?,75,，用于传输模拟信号,多用于有线电视（,CATV,）系统,传输距离可达几十千米,17,有线信道,?,光纤,结构,：,?,?,纤芯,包层,阶跃型,梯度型,多模光纤,单模光纤,按折射率分类,：,?,?,按模式分类,：,?,?,单模阶跃折射率光纤,光纤结构示意图,18,有线信道,优点,?,

7、?,传输带宽宽、通信容量大；,传输衰减小，无中继传输距离远；,( 0.2dB/km),（几百公里）,?,?,抗电磁干扰，传输质量好，防窃听，耐腐蚀；,体积小，重量轻，节省有色金属，环保。,缺点,易碎，接口昂贵，安装和维护需要专门技能。,应用,长途电话网、有线电视网等的主干线路中。,19,本章内容,:,信道,分类,信道,模型,第,4,章,信道,恒参,/,随参,信道,特性,对信号传输的,影响,信道,噪声,信道,容量,定义,分类,模型,特性,影响,措施,信道噪声,信道容量,20,4.3,信道数学模型,1.,调制信道模型,?,叠加有,噪声,的,线性时变,/,时不变,网络：,模型,：,s,i,(,t,)

8、,输入,C,(,?,),信道,+,n,(,t,),r,(,t,),输出,?,共性,：,?,?,?,?,有一对（或多对）输入端和输出端,大多数信道都满足线性叠加原理,对信号有固定或时变的延迟和损耗,无信号输入时，仍可能有输出（,噪声,）,?,入出关系,：,加性噪声,始终存在,s,i,(,t,),输入,r,(,t,),?,s,0,(,t,),?,n,(,t,),C,(,?,),s,o,(,t,),+,r,(,t,),输出,n,(,t,),s,o,(,t,),?,f,s,i,(,t,),?,c,(,t,),?,s,i,(,t,),反映信道,本身特性,乘性干扰,（共存共失）,S,o,(,?,),?,C

9、,(,?,),S,i,(,?,),?,调制信道对信号的影响程度取决,C,?,?,?,与,n,(,t,),的特性。,?,不同的物理信道具有不同的特性,C,(,),=,常数,（可取,1,）,C,(,?,),+,调制信道,分为：,（根据信道的时变特性）,?,s,i,(,t,),输入,r,(,t,),输出,n,(,t,),s,i,(,t,),输入,恒参,信道,随参,信道,+,特性基本不随时间变化,?,r,(,t,),输出,特性随时间随机快变化,n,(,t,),加性高斯白噪声信道模型,23,2.,编码信道模型,?,模型,：,可用,转移概率,来描述。,0,发送端,1,P,(0,/,0),P,(1/,0),

10、P,(0,/,1),P,(1,/,1),0,接收端,1,二进制,无记忆,编码信道,模型,P(0/0),P(1/0),= 1,+,P(1/1),+,P(0/1),= 1,正确,错误,P,e,?,P,(0),P,(1/,0),?,P,(1),P,(0,/1),24,四进制,无记忆,编码信道,发,送,端,0,0,1,1,接,收,端,2,2,3,3,25,本章内容,:,信道,分类,信道,模型,第,4,章,信道,4.4,恒参,/,随参,信道,特性,对信号传输的,影响,信道,噪声,信道,容量,定义,分类,模型,特性,影响,措施,信道噪声,信道容量,恒参,信道,特性,及其对信号传输的,影响,线性时不变系统,

11、?,?,特点：传输特性随时间缓变或不变。,举例：各种有线信道、卫星信道,1.,传输特性,H,(,?,),?,H,(,?,),e,j,?,(,?,),H,(,?,),?,幅频特性,?,(,?,),?,H,(,?,),?,K,相频特性,2.,无失真传输,H,(,?,),?,K,e,?,j,?,t,d,?,(,?,),?,?,t,d,恒参信道,?,无失真传输（,理想恒参信道,）特性曲线：,|H(,?,)|,K,?,(,?,),?,t,d,?,0,?,?,?,?,t,d,0,?,0,?,H,(,?,),?,K,幅频特性,?,(,?,),?,?,t,d,相频特性,d,?,(,?,),?,(,?,),?,

12、?,t,d,d,?,?,群迟延特性,恒参信道,?,理想恒参信道的冲激响应,:,H,(,?,),?,K,e,?,j,?,t,d,h,(,t,),?,K,?,(,t,?,t,d,),若输入信号为,s,(,t,),，则理想恒参信道的输出,:,s,o,(,t,),?,K,s,(,t,?,t,d,),固定,的迟延,固定,的衰减,这种情况称为,无失真传输,恒参信道,3.,失真,影响,措施,?,含义？,幅频失真：,H,(,?,),?,K,?,对模拟信号：造成波形失真,?,信噪比下降,影响,?,?,对数字信号：产生码间串扰,?,误码率增大,?,相频失真：,?,?,?,?,?,?,t,d,群迟延失真,:,?,(

13、,?,),?,t,d,?,对语音信号影响不大，对视频信号影响大,影响,?,?,对数字信号：码间串扰,?,误码率增大,恒参信道,典型音频电话信道,:,幅度衰减特性,相频特性,?,(,?,),理想特性,?,(,?,),群迟延频率特性,理想特性,O,(a),?,O,?,(b),随参,信道,特性,及其对信号传输的,影响,指传输,特性,随时间,随机快变,的信道。,1,.,随参信道,举例,?,?,?,陆地移动信道,短波电离层反射信道,超短波流星余迹散射信道,?,?,?,超短波及微波对流层散射信道,超短波电离层散射,超短波超视距绕射,随参信道,2.,随参信道,特性,衰减随时间变化,?,时延随时间变化,?,多

14、径传播,?,多径传播,示意图：,3.,多径效应,多经传播的影响,设,发送,信号为,s,(,t,),?,A,cos,?,c,t,幅度恒定,频率单一,经过,n,条路径,传播（各路径有,时变,的,衰落,和,时延）,则,接收信号,为,r,(,t,),?,a,1,(,t,),cos,?,c,?,t,?,?,1,(,t,),?,?,a,2,(,t,),cos,?,c,?,t,?,?,2,(,t,),?,n,第,i,条路径,L,接收信号振幅,i,?,1,n,?,a,n,(,t,),cos,?,c,?,t,?,?,n,(,t,),?,传输时延,?,?,a,i,(,t,),cos,?,c,?,t,?,?,i,(

15、,t,),?,?,?,a,i,(,t,),cos,?,?,c,t,?,?,i,(,t,),?,i,?,1,?,i,(,t,),?,?,?,c,?,i,(,t,),多径效应,r,(,t,),?,?,a,i,(,t,)cos,?,i,cos,?,c,t,?,?,a,i,(,t,)sin,?,i,sin,?,c,t,i,?,1,i,?,1,n,n,包络,相位,随机,?,X,(,t,)cos,?,c,t,?,Y,(,t,)sin,?,c,t,同相,正交形式,包络,相位形式,?,V,(,t,),cos,?,?,c,t,?,?,(,t,),?,瑞利,分布,均匀,分布,缓变,的,窄带,X,(,t,),?,?

16、,a,i,(,t,),cos,?,i,i,?,1,n,信号,Y,(,t,),?,?,a,i,(,t,),sin,?,i,i,?,1,n,根据概率论中心极限定理：当,n,足够大时，,x(t),和,y(t),趋于,正态,分布。,35,发送信号,接收信号,s,(,t,),?,A,cos,?,c,t,A,r,(,t,),?,V,(,t,),co,s,?,?,c,t,?,?,(,t,),?,缓慢变化的包络,波形,t,频谱,0,?,f,f,c,f,0,f,c,f,结论,?,?,多径传播使信号产生,瑞利型衰落,；,多径传播引起,频率弥散,。,多径效应,我们更关心的问题：,多径,传播,对于一个,复杂信号,f,

17、(,t,),的影响如何呢,？,（实际情况）,两,径,多,径,多径效应,设,两条,路径的信道为,f,(,t,),发射信号,传输衰减均为,K,f,o,(,t,),1,和,传输时延分别为,2,接收信号,则接收信号为,=,1,) +,K f,(,t,?,j,?,1,2,-,F,o,(,?,)=,KF,(,?,),e,信道传输函数,f,o,(,t,),=,K f,(,t,-,),-,2,+,KF,(,?,),e,相对时延差,?,j,?,(,?,?,?,),1,1,F,o,(,?,),?,j,?,1,?,j,?,(1,?,e,),H,(,?,),?,?,K,e,F,(,?,),常数衰减因子,确定的传输时延

18、因子,与信号频率,有关的复因子,信道幅频特性,H,(,?,),?,1,?,e,?,j,?,?,2,cos,?,2,?,信道对信号不同的,频率,成分，将有不同的衰减。,频率选择性衰落,如何减小,？,4.,减小频率选择性衰落的措施,?,信道相关带宽：,f,f,1/,定义为相邻传输零点的频率间隔,?,m,应使信号带宽,B,s,f,，工程经验公式：,B,s,(1/3 1/5),f,?,数字信号的码元宽度,:,T,s,(3 5),?,m,R,B,40,归纳,?,随参信道特性,衰减随时间变化,?,时延随时间变化,?,多径传播,?,?,?,?,?,多径效应,瑞利型衰落,频率弥散,频率选择型衰落,?,减小衰落

19、的措施,B,s,(1/3 1/5),f,?,分集接收,?,扩频技术,?,OFDM,等,41,本章内容,:,信道,分类,信道,模型,第,4,章,信道,恒参,/,随参,信道,特性,和对信号传输的,影响,信道,噪声,信道,容量,定义,分类,模型,特性,影响,措施,信道噪声,信道容量,4.5,信道噪声,1.,何谓噪声,?,?,?,信道中存在的不需要的电信号。,它独立于信号始终存在，,又称,加性,干扰。,它使信号失真，发生错码，限制传输速率。,2.,噪声类型,?,?,?,人为噪声,?,自然噪声,?,内部噪声,按,噪,声,来,源,（如,热噪声,）,按,噪,声,性,质,?,?,?,脉冲噪声,窄带,/,单频噪

20、声,起伏噪声,（,热噪声,、散弹噪声和宇宙噪声）,热噪声：,?,?,?,来自一切电阻性元器件中电子的热运动。,均匀分布在,0,10,12,Hz,频率范围。,性质：,高斯白噪声,热噪声电压有效值：,V,?,4,kTRB,式中,(,V,),k = 1.38,10,-23,（,J/K,）,波兹曼常数,T,热力学温度（,o,K,）,R,阻值（,）,B,带宽（,Hz,）,44,归纳,?,信道加性噪声,n(t) :,?,?,代表：,起伏噪声（,热噪声,等）,性质：,高斯白噪声,n,0,P,n,(,f,),?,(W/Hz),2,n,0,R,n,(,?,),?,?,(,?,),2,2,f,n,(,v,),?,

21、?,?,v,?,?,exp,?,?,2,?,?,2,?,2,?,?,n,n,?,?,1,n(t),?,BPF,?,窄带高斯噪声,噪声等效带宽,?,窄带高斯噪声,:,P,n,(,f,),?,功率谱：,P,n,(,f,0,),接收,滤波器,特性,?,噪声等效带宽：,B,n,?,?,?,?,P,n,(,f,),d,f,2,P,n,(,f,0,),?,?,?,?,平均功率：,0,P,n,(,f,),df,P,n,(,f,0,),N,?,?,?,?,?,P,n,(,f,),df,物理,意义,通过宽度为,B,n,的矩形滤波器的噪声功率,=,通过实际接收滤波器的噪声功率。,本章内容,:,信道,分类,信道,模

22、型,第,4,章,信道,恒参,/,随参,信道,特性,和对信号传输的,影响,信道,噪声,信道,容量,定义,分类,模型,特性,影响,措施,信道噪声,信道容量,4.6,信道容量,指信道能够,无差错,传输时的,最大,平均信息速率。,1.,离散信道容量,（,1,）信源发送的平均信息量（熵）,H,(,x,),?,?,?,P,(,x,i,),log,2,P,(,x,i,),i,?,1,n,x,i,P,（,y,i,/,x,i,),y,i,P,（,y,j,/,x,i,),y,j,式中，,P,(,x,i,),?,发送符号,x,i,的概率（,i=1,2,3,?,n,）,（,2,）因信道噪声而损失的平均信息量,H,(,

23、x,/,y,),?,?,?,P,(,y,j,),?,P,(,x,i,/,y,j,),log,2,P,(,x,i,/,y,j,),j,?,1,i,?,1,m,n,式中，,P,(,y,j,),?,收到,y,j,的概率（,j=1,2,3,?,m,）；,P,(,x,i,/y,j,),?,收到,y,j,后判断发送的是,x,i,的转移概率,（,3,）信息传输速率,R,信道每秒传输的平均信息量,R,?,r,H,(,x,),-,H,(,x,/,y,) (b/s),r,?,信道每秒传输的符号数为（符号速率,）,H,(,x,),H,(,x,/,y,),?,是接收端得到的平均信息量,（,4,）信道容量,C,t,最大

24、,信息传输速率：对一切可能的信源概率分布，求,R,的最大值：,C,t,?,max,R,?,max,r,H,(,x,),?,H,(,x,/,y,),(b/s),P,(,x,),P,(,x,),等价式：,C,?,max,H,(,x,),?,H,(,x,/,y,),(b/,符号,),P,(,x,),含义：每个符号能够传输的最大平均信息量,2.,连续信道容量,由,香农信息论,可证，白噪声背景下的连续信道容量为,:,S,?,?,C,?,B,log,2,?,1,?,?,(b/s),香农公式,?,N,?,等价式：,?,S,?,C,?,B,log,2,?,1,?,?,(b/s),?,n,0,B,?,S,信号平均功率（,W,）；,B,带宽（,Hz,）,n,0,噪声单边功率谱密度；,N,=,n,0,B,噪声功率（,W,）,?,S,?,C,?,B,log,2,?,1,?,?,(b/s),?,n,0,B,?,含义,：,当信号和信道噪声的平均功率给定时，在具有一定,频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息,量的极限数值。,意义,：,若,R,b,C,，则总能找到一种信道编码方式，实现无,差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差,错传输。,C,1.44(,S,/,n,0,),?,S,?,C,?,B,log,2,?,1,?,?,?,n,0,B,?,结论,：